1、华北电力大学2022年8月13日机电一体化系统设计机电一体化系统设计 本章教学目标及要求本章教学目标及要求执行元件的作用、分类、特点及机电一体化执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系统对其要求；系统对其要求；步进电机的特点与种类、工作原理步进电机的特点与种类、工作原理；步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制制；直流伺服电动机的原理及其驱动；直流伺服电动机的原理及其驱动；交流伺服电动机的原理及其驱动。交流伺服电动机的原理及其驱动。第五章第五章 执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计 第五章第五章 执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计 第一节 执行元
2、件的种类、特点 及基本要求 第二节 常用的控制用电动机第三节 直流(DC)与交流(AC)伺 服电动机及驱动 第四节第四节 步进电动机及驱动步进电动机及驱动附录：附录：伺服系统的设计伺服系统的设计第一节第一节 执行元件的种类、执行元件的种类、特点及基本要求特点及基本要求n执行元件是机电一体化系统执行元件是机电一体化系统(或产品或产品)必不可少的必不可少的驱动部件，如数控机床的主轴转动、工作台的进驱动部件，如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂的升降、回转和伸缩给运动以及工业机器人手臂的升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件即执行元件。运动等所用驱动部件即执行元件。n 执行元件处于机
3、电一体化系统的执行元件处于机电一体化系统的机械运行机构与机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件元件。它能在微电子装置的控制下，将输入的各。它能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为种形式的能量转换为机械能机械能，例如电动机、电磁，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机等分铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。由于大多数执行元件已作为系列化商为机械能。由于大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在品生产，故在设
4、计机电一体化系统时，可作为标设计机电一体化系统时，可作为标准件选用、外购准件选用、外购。一、执行元件的作用 n1.作用：执行元件主要用来根据控制信息和指令，根据控制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式旋转运动、直线运动等方式机械能机械能，并完成要求，并完成要求动作的动作的能量转换装置能量转换装置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。二、执行元件的种类及特点二、执行元件的种类及特点 根据根据使用能量的不同使用能量的不同，可以将执行元件分为，可以将执行元件分为电气式、电气式、液压式液压式和和气压式气压式等几种类
5、型。等几种类型。(1)电气电气(磁磁)式式：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动的。电动执行装置由于能源容易获得，使用运行机构运动的。电动执行装置由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。方便，所以得到了广泛的应用。(2)液压式液压式：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运力油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率动，包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。大等特点。(3)气
6、压式气压式：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。气体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。(4)其它执行元件其它执行元件：与使用材料有关，如使用双金属片、：与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件形状记忆合金或压电元件。执行元件的种类执行元件的种类三、对执行元件的基本要求（1）惯量小，动力大。惯量小，动力大。表征执行元件惯量的性能指标：表征执行元件惯量的性能指标：m(直线运动）、转动惯量直线运动）、转动惯量J（回转运动）（回转运动）表征输出动力的性能指标：推力表征输出动力的性能指标
7、：推力F、转矩、转矩T、功率、功率P对直线运动：对直线运动：a=F/m；对回转运动：；对回转运动：P=T，=T/J。即加速。即加速度度a与角加速度与角加速度表征了执行元件的加速性能。表征了执行元件的加速性能。比功率比功率：表征动力大小的综合指标表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与，包含功率、加速性能与转速三种因素，即比功率转速三种因素，即比功率P/=T2/J（2）体积小，重量轻体积小，重量轻:用功率密度或比功率密度来评价用功率密度或比功率密度来评价 功率密度功率密度P/G；比功率密度；比功率密度(T2/J)/G，其中其中G为执行元为执行元件重量。件重量。（3）安装方便、便于维修维护。安
8、装方便、便于维修维护。最好不要维修，无刷DC及AC伺服电机走向无维修（4）易于实现自动化控制易于实现自动化控制：主流是电气式主流是电气式。其次是液压式和气。其次是液压式和气压式压式(在驱动接口中需要增加电在驱动接口中需要增加电-液或电液或电-气变换环节气变换环节)。内燃。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。第二节第二节 机电系统常用的控制电动机机电系统常用的控制电动机n控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和和各种各种A
9、C/DCAC/DC电动机电动机等。控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到广泛应用。n控制用电动机有回转和直线回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。机电一体化系统中常用的控制用电动机是指机电一体化系统中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的能提供正确运动或较复杂动作的电动机电动机。伺服系统定义伺服系统定义以移动部件的以移动部件的位置位置和
10、和速度速度 作为控制量的自动控制系统作为控制量的自动控制系统.伺服系统的作用伺服系统的作用:接受机电装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电接受机电装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电压、功率放大由执行元件压、功率放大由执行元件(伺服电机伺服电机)将其转换成角位移或直将其转换成角位移或直线位移，驱动运动部件实现加工所需要的运动线位移，驱动运动部件实现加工所需要的运动.伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械机械或位置的运动或位置的运动，根本任务根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实
11、现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。输入指令信号的变化规律。一、伺服系统概念一、伺服系统概念 二、伺服系统的基本组成二、伺服系统的基本组成 由以下由以下4 4部分组成：部分组成：控制器；控制器；功率驱动装置；功率驱动装置；检测反馈装置；检测反馈装置；伺服电机伺服电机(M).(M).例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统伺服系统结构图伺服系统结构图1 1、开环伺服系统、开环伺服系统 (1)(1)组成组成：步进电机；步进电机；驱动控制电路驱动控制电路(控制控制器器).).1 1、开环伺服系统、开环伺服系统(2
12、)(2)开环伺服系统特点开环伺服系统特点 没有位置和速度反馈回路没有位置和速度反馈回路;设备投资低，调试维修方便设备投资低，调试维修方便;精度差；精度差；高速扭矩小高速扭矩小.(3)(3)开环伺服系统应用场合开环伺服系统应用场合 中、低档数控机床中、低档数控机床;普通机床数控改造普通机床数控改造.2、闭环与半闭环伺服系统、闭环与半闭环伺服系统 (1)闭环伺服系统组成示意图闭环伺服系统组成示意图 组成：组成：控制器；控制器；功率驱动电路；功率驱动电路；检测反馈装置；检测反馈装置；伺服电机伺服电机.(2)(2)闭环伺服系统的特点闭环伺服系统的特点 精度高精度高 位置测量没有中间环节，可通过闭环控制
13、消除整位置测量没有中间环节，可通过闭环控制消除整个环内传动链的全部累积误差个环内传动链的全部累积误差.闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给并将测量值反馈给CNCCNC装置，与指令进行比较，求得装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制，直到差值为零差值，依此构成闭环位置控制，直到差值为零.结构复杂、调整困难结构复杂、调整困难 由于由于闭环系统位置环内包含的机械传动部件比较闭环系统位置环内包含的机械传动部件比较多多,因此闭环系统因此
14、闭环系统结构复杂、调整困难结构复杂、调整困难.(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别半闭环位置检测半闭环位置检测 装置安装位置：装置安装位置：注意注意:半闭环位置检测半闭环位置检测装置安装位置装置安装位置在滚在滚珠丝杠或电机轴上珠丝杠或电机轴上,而不是工作台上而不是工作台上.半开环系统半开环系统(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别 精度较低精度较低 传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统精度低于闭环系统.调整比较
15、容易调整比较容易(4)(4)半闭环和闭环伺服系统应用场合半闭环和闭环伺服系统应用场合 注意注意:半闭环系统应用较多半闭环系统应用较多,闭环系统一般只用在精闭环系统一般只用在精度要求较高的大型数控机床上度要求较高的大型数控机床上.图图6-3 伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机控制方式的基本形式 为实现运动、功率为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）性能密度大性能密度大。即功率密度。即功率密度 Pw=P/G 或比或比功率密度功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。大。（2）快速性好快速
16、性好。即加速转矩大、频响特性好。即加速转矩大、频响特性好。（3）位置控制与速度控制精度高、调速范围位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。音小。（4）能适应频繁启动能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。，可靠性高、寿命长。（5）易于与计算机对接易于与计算机对接，实现计算机控制。，实现计算机控制。三、机电系统对伺服控制电动机的基本要求机电系统对伺服控制电动机的基本要求 四、常用电动机的种类、特点及选用四、常用电动机的种类、特点及选用n在机电一体化系统中使用两类电动机在机电一体化系统中使用两类电动机,一类为一类为动力用电动动力用电
17、动机机,如感应式异步电动机和同步电动机等如感应式异步电动机和同步电动机等;另一类为另一类为控制用控制用电动机电动机,如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和各种变频调速电动机和各种AC/DCAC/DC电动机等。电动机等。n不同的应用场合，不同的应用场合，对控制用电动机性能密度的要求也有所对控制用电动机性能密度的要求也有所不同。不同。对于起停频率低对于起停频率低(如几十次分如几十次分)，但要求低速平，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，
18、如范围内均可稳定运动的机械，如NCNC工作机械的进给运动、工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其机器人的驱动系统，其功率密度功率密度是主要的性能指标；是主要的性能指标；对对于起停频率高于起停频率高(如数百次分如数百次分)，但不特别要求低速平稳性，但不特别要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是装置等主要的性能指标是高比功率高比功率。n在额定输出功率相同的条件下在额定输出功率相同的条件下,交流伺服电动机的比功率交流伺服电动机的比功率最高、最高、直流伺服电动机次之、步进电动机最低。直流伺服电动机次之、
19、步进电动机最低。伺服电动机的性能比较 伺服电动机优缺点比较 第三节第三节 直流直流（DCDC）与交流与交流（ACAC）伺服电动机及驱动伺服电动机及驱动n直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动电力拖动领域中得到了广泛的应用。(一一).直流伺服电动机原理、特点直流伺服电动机原理、特点n1、工作原理工作原理：直流伺服电动机的结构由永磁体定直流伺服电动机的结构由永磁体定子、线圈转子（电枢）、电刷和换向器组成，磁子、线圈转子（电枢）、电刷和换向器组成，磁场中的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动场中的线
20、圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动转子转动。为了得到连续的旋转运动，就必须随转子转动。为了得到连续的旋转运动，就必须随着转子的转动角度不断改变电流方向，因此，着转子的转动角度不断改变电流方向，因此，必必须有电刷和换向器须有电刷和换向器。2 特点：特点：n 有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点；n 由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修；n 在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭环控制。第三节第三节 直流与交流伺服电动机及驱动直流与交流伺服电动机及驱动1.1.种类种类（1）小惯量直流伺服电动机）小惯量直流伺服电动机：60年代研制，其电枢无槽，年代研制，其电枢无槽
21、，绕组直接粘接固定在电抠铁心上，因而转动惯量小、反应绕组直接粘接固定在电抠铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。量匹配，增加了成本。（2）直流印刷电枢电动机：）直流印刷电枢电动机：是一种盘形伺服电动机，电抠是一种盘形伺服电动机，电抠由导电板的切口成形，裸导体的线圈端部起整流子作用，由导电板的切口成形，裸导体的线圈端部起整流子作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型这种空心
22、式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。机床及线切割机床上。（3）大惯量宽调速直流伺服电动机：）大惯量宽调速直流伺服电动机：70年代研制成功。它年代研制成功。它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩改善动态特性，在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩改善动态特性，既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的惯性负载匹配，能较好动机的快速响应性能，易与较大的惯性负载匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工业机器人等地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工业机器人等机电一体化产品
23、中得到了广泛应用。机电一体化产品中得到了广泛应用。(二二)直流伺服电动机种类与选用直流伺服电动机种类与选用 2.选用选用n 宽调速直流伺服电动机宽调速直流伺服电动机应根据应根据负载条件负载条件来选择来选择。加在电动机轴上的有两种负载，即加在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩负载转矩和和惯惯性负载性负载。根据负载情况，所选电机必须能满足下列条件：根据负载情况，所选电机必须能满足下列条件：（1）在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机）在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；连续额定转矩范围以内；（2）工作负载与过载时间应在规定的范围以内；）工作负载与过载时间应在规定的范围以内；
24、（3）应使加速度与希望的时间常数一致；）应使加速度与希望的时间常数一致；（4）等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。）等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。(二)、直流伺服电动机种类与选用(三三)、直流伺服电动机的驱动、直流伺服电动机的驱动n直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用晶晶体管脉宽调速驱动体管脉宽调速驱动和晶闸管直流调速驱动晶闸管直流调速驱动两种方式。n晶闸管直流驱动（晶闸管直流驱动（SCR）：）：主要通过调节触发装置控制主要通过调节触发装置控制晶体、闸管的触发延迟角来移动触发脉冲的相位，从而晶体、闸管的触发延迟角来移动触发脉冲的
25、相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。于平滑调速。由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，因此，在低整流电压时。其输出是很小的尖峰值(三相全波时每秒300个)的平均值，从而造成电流的不连续性。n采用脉宽调速驱动系统，采用脉宽调速驱动系统，开关频率高开关频率高(20003000Hz)，伺服机构能够响应的频带范围也较宽，与晶闸管相比，伺服机构能够响应的频带范围也较宽，与晶闸管相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯直流其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。日本法纳克日本法纳克(FANU
26、C)公司生产的用于工业机器人、公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心机床、加工中心(MC)的的L系列系列(低惯量系列低惯量系列)、M系列系列(中惯量系列中惯量系列)和和H系列系列(大惯量系列直流伺服大惯量系列直流伺服电动机）。其中电动机）。其中L系列适合于频繁起动、制动场系列适合于频繁起动、制动场合应用，合应用，M系列是在系列是在H系列的基础上发展起来的，系列的基础上发展起来的，其惯量较其惯量较H系列小，适合于晶体管脉宽调制系列小，适合于晶体管脉宽调制(PWM)驱动，因而提高了整个伺服系统的频率响应。而驱动，因而提高了整个伺服系统的频率响应。而H系列是大惯量控制用电动机，它有较大的输出
27、系列是大惯量控制用电动机，它有较大的输出功率，采用六相全波晶闸管整流驱动。表中电动功率，采用六相全波晶闸管整流驱动。表中电动机型号带有机型号带有H标志标志(如如30MH)的表示该电动机装有的表示该电动机装有热管冷却器，该电动机的有效尺寸与不带热管冷热管冷却器，该电动机的有效尺寸与不带热管冷却器的同型号的相同，但其额定转矩大。却器的同型号的相同，但其额定转矩大。二、二、交流交流(AC)伺服电动机及其驱动伺服电动机及其驱动n由于直流伺服电动机具有优良的调速性能，由于直流伺服电动机具有优良的调速性能，因此长期以来，在要求调速性能较高的场因此长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速系统一直占
28、据主导地合，直流电动机调速系统一直占据主导地位。位。但但直流伺服电动机结构上存在机械整直流伺服电动机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点应用环境受到限制的缺点。n近年来交流驱动技术有了飞速的发展，它近年来交流驱动技术有了飞速的发展，它具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。因此，优点。因此，交流伺服系统已在很大程度交流伺服系统已在很大程度上取代了直流伺服系统上取代了直流伺服系统。n 交流伺服电动机包括交流伺服电动机包括同步型、感应型同步型、感应型两种。两种。二、二、交流交流(AC)伺
29、服电动机及其驱动伺服电动机及其驱动n在小功率伺服系统中，一般使用在小功率伺服系统中，一般使用永磁永磁式式同步电动机同步电动机，因为它有优良的动态，因为它有优良的动态性能，过载能力大等优点。性能，过载能力大等优点。n感应型感应型交流伺服电动机结构简单，质交流伺服电动机结构简单，质量轻，价格低，可用做主轴电机。目量轻，价格低，可用做主轴电机。目前的交流伺服驱动装置一般采用前的交流伺服驱动装置一般采用DSP的全数字化控制。的全数字化控制。n 对交流伺服电动机的控制以对交流伺服电动机的控制以矢量控制矢量控制为基础。为基础。第四节第四节 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动一、步进电动机的特点与种类一、
30、步进电动机的特点与种类 1.1.步进电动机的特点步进电动机的特点n 步进电动机又称步进电动机又称脉冲电动机脉冲电动机。它是将。它是将电脉冲信号电脉冲信号转转换成换成机械角位移机械角位移的执行元件。的执行元件。n输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。n只要只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组控制输
31、入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容，很容易用微机实现数字控制。易用微机实现数字控制。一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类n步进电动机具有以下特点：步进电动机具有以下特点：步进电动机的步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素的影响工作状态不易受各种干扰因素的影响(如电如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响，的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步丢步”现象之前，现象之前，就不影响其正常工作；就不
32、影响其正常工作；步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为但转子转过一转以后，其累积误差变为“零零”，因此不会长期积累，因此不会长期积累；控制性能好控制性能好,在起动、停止、反转时不易在起动、停止、反转时不易“丢步丢步”。不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；缺点是能量效率较低。缺点是能量效率较低。因此，步进电动机被广泛应用于因此，步进电动机被广泛应用于开环开环控制的机电一体化控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精
33、度。系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。步进电动机与步进电动机与DC和和AC伺服电动机相比其转矩、伺服电动机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电动机效率、精度、高速性比较差，但步进电动机具有具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的代替低档的DC伺服电动机。伺服电动机。一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的
34、特点与种类2 2、开环步进伺服系统的工作原理、开环步进伺服系统的工作原理 组成组成:步进电机步进电机 驱动电路驱动电路l驱动速度：驱动速度：进给脉冲的频率代表了驱动速度；进给脉冲的频率代表了驱动速度；l位移量：位移量：脉冲的数量代表了位移量；脉冲的数量代表了位移量；l运动方向运动方向：步进电机的各相通电顺序来决定：步进电机的各相通电顺序来决定；注意：注意：由于开环步进式伺服系统系统没有反馈检测环由于开环步进式伺服系统系统没有反馈检测环节，其节，其精度主要由步进电机来决定精度主要由步进电机来决定，速度也受到步，速度也受到步进电机性能的限制进电机性能的限制.2、开环步进伺服系统的工作原理、开环步进
35、伺服系统的工作原理 步进电机接受驱动电路控制，将进给脉冲序列转换步进电机接受驱动电路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动通过齿轮和丝杠带动工作台移动.3.3.步进电动机的种类步进电动机的种类(1)(1)按转矩产生原理分按转矩产生原理分n 可变磁阻可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫也叫反应式步进电动机反应式步进电动机n永磁永磁(PM-Permanent Magnet)型型n混合混合(HB-Hybrid)型型(2)(2)按输出力矩大小分按输出力矩大小分 伺服式伺服
36、式：输出力矩小于：输出力矩小于1(1(Nm)只能驱动较只能驱动较小的负载小的负载,与液压扭矩放大器配合驱动较大的负载与液压扭矩放大器配合驱动较大的负载.功率式：功率式：输出力矩在输出力矩在5 550N50Nm m以上，可以以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载直接驱动机床工作台等较大的负载.(3)(3)按定子数分按定子数分 单定子式；单定子式；双定子式；双定子式；三定子式；三定子式；多定子式多定子式.(4)(4)按各相绕组分布分按各相绕组分布分 径向分相式：电机各相按圆周依次排列径向分相式：电机各相按圆周依次排列;轴向分相式：电机各相按轴向依次排列；轴向分相式：电机各相按轴向依次排列；(5)
37、(5)按相数分按相数分 三相；三相；四相；四相；五相；五相；六相六相.3.步进电动机的种类步进电动机的种类3.步进电动机的种类步进电动机的种类 1 1）可变磁阻）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)(VR-Variable Reluctance)型型n该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称反应反应式步进电动机式步进电动机。其结构原理如图所示。其定子1与转子2由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁型可变磁型。n 此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型
38、步进电动机的铁心无极性，故不需改变电流极性，多为单极性励磁。2)2)永磁永磁(PM-Permanent Magnet)(PM-Permanent Magnet)型型nPM型步进电动机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。其结构如图所示。n这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动做定位驱动。nPM型电动机的特点特点是励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。
39、与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。3)3)混合混合(HB-Hybrid)(HB-Hybrid)型型n该型步进电机不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与VR型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方面有其特只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方殊的地方，例如，VR型一般都做成集中绕组的形式，每极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而HB型步进电动机的定子绕组大多数为四相，而型步进电动机的定子绕组大多数为四相，而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电组，按正反脉
40、冲供电。nHB型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小(0.93.6)的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。常见步进电机外形构造 二、二、(反应式反应式)步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理步进电机的内部构造步进电机的内部构造.步进电机驱动器步进电机驱动器 主要有以下主要有以下2 2部分部分:定子定子:铁心；铁心；绕组绕组.转子转子.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理下图是一典型的径向三相反应式旋转步进电机结构原理图下图是一典型的径向三相反应式旋转步进
41、电机结构原理图.定子定子:定子上有定子上有6 6个均匀分个均匀分布的磁极；布的磁极；每个磁极上绕有励磁每个磁极上绕有励磁绕组绕组.两相对的磁极上的绕两相对的磁极上的绕组串联在一起，构成组串联在一起，构成一相控制绕组一相控制绕组.形成形成三对磁极三对磁极.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理步进电机可构步进电机可构成成A A、B B、C C三相三相控制绕组控制绕组.定子的每个磁定子的每个磁极正对转子的极正对转子的圆弧面上都均圆弧面上都均匀分布着匀分布着5 5个小个小齿，齿与槽的齿，齿与槽的宽度相等宽度相等.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 转子转子:转子上无绕组，转子
42、上无绕组，只有均匀分布只有均匀分布的的4040个小齿，个小齿，大小、间距与大小、间距与定子相同，齿定子相同，齿间夹角为间夹角为9 9.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理三相定子磁极上的小齿在空间位置上与转子依次错三相定子磁极上的小齿在空间位置上与转子依次错开开1/31/3个齿距，请看上图个齿距，请看上图.当当A A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B B相磁相磁极上的小齿刚好超前极上的小齿刚好超前(或滞后或滞后)1/3)1/3齿齿.即即3 3.C C相磁极上的小齿超前相磁极上的小齿超前(或滞后或滞后)2/3)2/3个齿，即个齿，即6 6.二、
43、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理注意注意:转子上圆周均匀分布着转子上圆周均匀分布着 40个小齿个小齿;定子磁极上的小齿相对定子磁极上的小齿相对 转子小齿在空间位置上转子小齿在空间位置上 依次错开依次错开1/31/3个齿距个齿距，(1)(1)步进电机的通电方式步进电机的通电方式 通电方法：通电方法：各相轮流通电各相轮流通电.当某一相通电时当某一相通电时,其它相必须断电其它相必须断电.定子有定子有3 3种通电方式种通电方式:每种通电方式都能变每种通电方式都能变换轮回方向换轮回方向.3 3种通电方式如下种通电方式如下:单相轮流通电单相轮流通电;双相轮流通电双相轮流通电;单、双相轮流通电单
44、、双相轮流通电.单相轮流通电单相轮流通电(三相单三拍三相单三拍)顺时针轮回顺时针轮回 ABCAABCA 逆时针轮回逆时针轮回 ACBAACBA 完成一次通电状态循环完成一次通电状态循环,转子走转子走3 3步步,称三拍称三拍.故对故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相单三拍三相步进电机来说，称此通电方式为三相单三拍.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 双相轮流通电双相轮流通电(三相双三拍三相双三拍)顺时针轮回顺时针轮回 ABBCCAABABBCCAAB 逆时针轮回逆时针轮回 BAACCBBABAACCBBA 完成一次通电状态循环，转子仍走完成一次通电状态循环，转子仍走3 3步，也
45、称三拍，步，也称三拍，但此时有两相通电但此时有两相通电.故对三相步进电机来说，称此故对三相步进电机来说，称此通电方式为通电方式为三相双三拍三相双三拍.单、双相轮流通电单、双相轮流通电(三相六拍三相六拍)顺时针轮回顺时针轮回 AABBBCCCAAAABBBCCCAA 逆时针轮回逆时针轮回 AACCCBBBAAAACCCBBBAA 完成一次通电状态循环，转子需走完成一次通电状态循环，转子需走6 6步，称六拍步，称六拍.故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相六拍故对三相步进电机来说，称此通电方式为三相六拍.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 步进电机的工作原步进电机的工作原理实际上是
46、理实际上是电磁铁的电磁铁的作用原理作用原理.首先首先,让我们来看让我们来看一下一个最简单的步一下一个最简单的步进电机进电机,也就是只有也就是只有4 4个齿的步进电机个齿的步进电机.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 二、步进电机的工作原理二、步进电机的工作原理 三相单三拍三相单三拍 顺时针转顺时针转:按顺序按顺序 ABCAABCA通电，由于在磁场作用下通电，由于在磁场作用下,转子总是力图旋转到磁阻转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情最小的位置，故在这种情况下况下,转子必然转到图所转子必然转到图所示位示位,1,1、3 3齿与齿与A A、AA极极对齐对齐.CABBCA3412
47、 同理同理,B,B相通电时相通电时,转子会转过转子会转过3030 角，角，2 2、4 4齿与齿与B B、B B磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C C相通电时，转子再转过相通电时，转子再转过3030 角，角，1 1、3 3齿和齿和C C、C C磁极轴线对齐磁极轴线对齐.按按A AB B C C A A 的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步按电，转子便一步一步按顺顺时针转动时针转动起来起来.每一拍转过每一拍转过 3030(步距角步距角)，每个通电，每个通电循环周期循环周期(3(3拍拍)转过转过9090 (一个齿距角一个齿距角).).这种工作方式下这种工作方式下,三个绕组轮
48、流通电一次为一个循三个绕组轮流通电一次为一个循环周期环周期,一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式三相单三拍工作方式.逆时针转逆时针转:按按ACBAACBA顺顺序通电序通电,首先首先给给A A相相通电通电,由于在磁场作由于在磁场作用下用下,转子必然转转子必然转到右图所示位到右图所示位,1,1、3 3齿与齿与A A、AA极对齐极对齐.CABBCA3412二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 同理同理,C C相通电时相通电时,转子会转过转子会转过3030 角，角，2 2 ,4,4 齿与齿与C C、C C磁极轴线对齐；磁极轴线对齐；
49、当当B B相通电时相通电时，转子再转过，转子再转过3030 角，角，1 1、3 3齿和齿和B B、B B磁极轴线对齐磁极轴线对齐.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 按按A AC CB BA A 的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步电，转子便一步一步逆时逆时针转动针转动起来起来.与与顺时针转动顺时针转动相似相似每一拍转过每一拍转过3030(步距步距角角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3(3拍拍)转过转过9090(一个齿距角一个齿距角).).二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 结论结论(三相单三拍三相单三拍):三相反应式步进电动机以运
50、行时三相反应式步进电动机以运行时,每每 个循环周期分为个循环周期分为3 3拍拍.每拍转子转过每拍转子转过3030（步距角）（步距角）,一个通电循环周期一个通电循环周期 (3(3拍拍)转子转过转子转过9090 (齿距角齿距角).).注意注意:运行不稳定运行不稳定,易失步易失步(切换瞬间切换瞬间,各相都断电而没各相都断电而没 有自锁转矩有自锁转矩)精度低精度低.与单三拍相比与单三拍相比,六拍驱动方式的步进角大六拍驱动方式的步进角大.二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 按按A AABABB BBCBCC CCACA的顺的顺序给三相绕组轮流通电序给三相绕组轮流通电.这种方式这种方式可以获
